导语
在国家积极倡导创新驱动发展战略、大力推进科技自立自强的时代背景下，土木工程学院师生以其锐意创新的精神和宽广的学术视野，不断推动学院高质量发展。为此我院推出“ESI优秀科研成果速递”推文系列，精心遴选并深度剖析学院师生的优秀论文成果，覆盖土木工程、给排水工程、水利工程、交通工程等多个前沿领域，旨在通过这些成果背后的深刻洞察与前瞻思考，进一步激发广大师生的科研热情，促进学术交流与合作，携手并进，共同为土木工程领域的蓬勃发展贡献智慧与力量。欢迎广大师生踊跃投稿！投稿邮箱：1332524157@qq.com
Part.01
前言
近日，福州大学土木工程学院黄瑞源研究员、硕士生陈钰帆、秦健教授、博士生文彦博、杨晓强教授、赖志超教授（通讯作者）和海军研究院孟祥尧合作发表了题为“Investigation on cavitation phenomena and load characteristics of fixed square plates subjected to near-field underwater explosion”（近场水下爆炸下固支方板的空化现象和载荷特性研究）的研究成果。该论文发表在国际海洋工程顶级学术期刊Oceaning上， 该期刊系SCI检索期刊，中科院分区一区，最新影响因子为4.6。本研究获得国家自然科学基金项目（No.12172178）的支持。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2024.116905。”
Part.02
研究背景
随着现代军事技术发展进步，舰船等海上作战平台易遭受多种形式的水下武器爆炸攻击，使舰船丧失作战能力。近场水下爆炸过程是高度非线性的，伴随着强烈的激波、空化、气泡脉动、水射流、滞回流、破片等。早期学者们的研究主要集中于冲击波载荷、气泡载荷与水射流载荷，对于空化效应的溃灭载荷研究较少。大量试验表明空化区域的溃灭载荷会对结构产生二次加载现象，空化溃灭载荷对舰船结构的影响不可忽略。现阶段的研究多集中于冲击波阶段，但是通过小装药近场水下爆炸实验，发现在气泡脉动阶段，由于气泡的运动会在结构表面形成局部空化区域，这个空化区域相较于冲击波阶段的空化区域更加明显，空化区域体积更大。对于气泡脉动阶段的局部空化的研究寥寥无几，其产生机理，影响因素，溃灭载荷等都有待深究。
研究内容
近场水下爆炸产生的空化现象会对水面舰船结构造成二次加载作用。板作为舰船的典型组成结构，研究板在水下爆炸时的空化效应对舰船防护具有借鉴意义。本文开展了TNT当量2.5g的炸药的水下自由场爆炸与固支方板底部水下爆炸试验。试验结果显示冲击波阶段和气泡脉动阶段均存在空化现象并测到了气泡脉动阶段的空化溃灭载荷。为进一步研究气泡脉动阶段固支方板的空化现象及空化载荷特性，采用Abaqus软件较好地模拟了气泡脉动过程中的空化现象，在爆距为25cm的固支方板水下爆炸仿真模拟中，考虑空化时的冲量比不考虑空化的冲量大47%，且对载荷作用形式的影响不可忽略，紧接着研究了板厚与空化现象的关系。接着开展了系列数值模拟，研究了爆距与炸药当量对空化现象与载荷的影响。最后提出了预测空化溃灭、气泡脉动与水射流冲量的经验公式。研究结果对舰船结构的防护设计具有一定的指导意义。
W=0.0025kg时不同距离参数下的空化现象
W=1kg时不同距离参数下的空化现象
Part.03
研究总结
本文对水下自由场爆炸和固支方板水下爆炸进行了试验和数值研究，采用Abaqus软件进行系列仿真，得出下列结论：
（1）自由场水下爆炸在冲击波阶段有空化现象，固支方板水下爆炸在气泡脉动阶段有空化现象。壁压传感器得到空化闭合压力与冲击波峰值属于同一量级，对结构的影响不可忽略。在爆距为25cm时，考虑空化时的载荷冲量比不考虑空化时的载荷冲量大47%，且空化对结构的载荷作用形式影响也是不可忽略的。
（2）通过在有限元软件中加入水的拉伸截止模型很好的模拟了气泡脉动阶段的局部空化现象，模拟结果与试验得到的现象、压力数据及冲量数据基本一致。
（3）随着板厚的增加，空化区域的最大高度与最大体积呈减小趋势,当板厚增加到一定程度后不再出现空化现象；系列仿真显示空化闭合有两种模式：一种是从两边向中间自然闭合；一种是受水射流冲击影响从中部先闭合。当药量相同，γ在一定范围内，空化区域最大高度随着距离参数增加而增加，但是增加的百分比减小。空化区域最大体积在距离参数γ=1左右时达到最大，过大或过小都会使空化区域最大体积减小。
（4）提出了一个考虑爆距和炸药当量的空化溃灭、气泡脉动与水射流冲量经验公式。该公式在考虑空化溃灭载荷的情况下量化了空化载荷与气泡载荷冲击的演化过程，具有一定的参考价值。
（a）变量A与γ的关系拟合曲线
（b）变量B与γ的关系拟合曲线
冲量经验公式参数A、B拟合曲线
(d)γ=1.39,W=1
W=1时空化现象演化过程
